基于五元聯系數法的遼河保護區沈陽段河流健康評價

李海霞，王育鵬，徐笠，馮娜娜，蔚青

1.安徽農業大學資源與環境學院 2.北京市農林科學院，北京農業質量標準與檢測技術研究中心 3.農產品產地環境監測北京市重點實驗室

河流是生物圈的動脈，是人類和各種生命的起源與物質基礎，人類生存和發展離不開河流。河流作為自然生態系統中進行物質循環、信息傳遞和能量流動的重要樞紐，具有不可替代的作用[1-2]。由于氣候變化、流域開發與人類活動加劇，河流生態環境日趨惡化，河流生態系統功能逐漸退化，不僅影響河流自身資源的可持續利用，而且嚴重制約河流流域經濟與社會發展[3]。因此，針對河流健康問題進行準確、綜合的分析與評價，探尋有效的河流健康評價體系，促使實現流域生態系統良性循環，經濟、社會與環境協調發展已成為目前關注的熱點之一。

五元聯系數原理是集對分析理論的拓展，主要是運用同異反表達式解決各種由模糊、隨機、信息缺失導致的不確定問題。對比以往集對分析評價，五元聯系數擴大了評價等級范圍，進一步細化相異部分，能夠更加準確地表達系統中的不確定因素，使評價結果更為有效、完整[4]。筆者將河流健康指標和河流健康評價標準構成一個集對去分析其同異反聯系，并將多個指標系統表示成一個能從總體上衡量河流健康程度的五元聯系數，從而定量計算出不同層次的河流健康程度，以期為現有河流健康復雜系統評價研究提供有效補充，同時為河流健康評價提供參考[5]。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

遼河流域地處中高緯度，位于我國東北地區的南部，發源于河北省平泉縣的光頭山，流經河北、內蒙古、吉林、遼寧4省(區)，注入渤海。遼河全長1 345 km，是我國七大河流之一。遼河沿岸城市多以能源、冶金、建材、機械等重工業經濟為主體，工業化和經濟快速發展對遼河流域生態環境造成較大的影響。為了更好地治理和保護遼河，2010年3月遼寧省政府劃定了遼河保護區(121°41′E～123°55.5′E，40°47′N～43°02′N)，實行全線封閉保護，實施禁牧、禁漁、禁采、禁伐，對遼河干流流域進行一站式綜合治理。遼河保護區起始于東、西遼河交匯的鐵嶺昌圖縣福德店，沿遼河干流貫穿遼寧省中部，終止于盤錦入海口，全長538 km，總面積為1 869.2 km2，涉及鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦4市(圖1)。遼河干流在沈陽市境內(遼河保護區沈陽段)長307.4 km[6]，由于長期接納沿岸生活垃圾、畜禽糞便、農田徑流、生活污水等，該河段大面積水體受到污染，同時存在水量減少，生物多樣性銳減，生態環境破壞嚴重等問題，河流生態修復迫在眉睫[7]。

圖1 遼河保護區沈陽段范圍Fig.1 Scope of Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

1.2 數據來源

遼河保護區沈陽段河流健康評價所需的河流自然形態、水質、底質、水生生物、社會服務等數據來源于現場調查、實驗室檢測、文獻與資料(遼寧省統計年鑒、遼寧省水資源公報、遼寧省防洪規劃)查閱和專家咨詢等。河流自然形態、水質、底質中重金屬、流域植被覆蓋率數據均為2018年數據，由于水生生物指標中著生藻類、底棲動物和魚類數據獲得較困難，因此采用2011—2016年數據。

2 遼河保護區沈陽段河流健康評價體系構建

2.1 指標體系建立

在參考國內外河流健康評價文獻及遼河保護區水生態健康評價研究[8]的基礎上，基于河流健康內涵、遼河保護區沈陽段河流實際情況，從河流水文狀況、生態功能、社會服務等方面，構建了由目標層、準則層、指標層構成的遼河保護區沈陽段河流健康評價指標體系，其中目標層為遼河保護區沈陽段河流健康評價(A)；準則層包含河流自然形態狀況(B1)、水質狀況(B2)、底質狀況(B3)、水生生物及生態環境狀況(B4)、社會服務狀況(B5)五大類指標；指標層包含河岸穩定性(C11)、溶解氧濃度(C21)、Cu潛在生態風險(C31)等24項指標(表1)。

2.2 評價標準確定

基于科學性和代表性、整體性和層次性、簡明性和可操作性、定性與定量相結合的河流水生態健康評價指標體系構建原則，參照相關標準和文獻[9-19]，通過專家咨詢，將遼河保護區沈陽段河流健康評價等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級(表1)。

表1 評價指標體系及各指標評價標準

2.3 指標權重確定

在確定指標權重的諸多方法中，層次分析法針對河流健康評價中存在的定性和定量指標，將其分層次賦權，從而提高評價的準確性。因此，采用層次分析法確定指標的權重[20]。根據遼河保護區沈陽段河流健康評價指標體系結構，通過發放專家權重問卷表，邀請專家運用比較標度法，對各要素兩兩之間進行比較，構造判斷矩陣；然后借助Matlab軟件，求判斷矩陣的最大特征值λmax和歸一化向量值[21]，此歸一化特征向量值即為該判斷矩陣中對應指標的權重。由此計算得到準則層和指標層各類(項)指標的權重，結果分別如表2、表3所示。

表2 A-B判斷矩陣

表3 準則層與指標層權重計算結果

2.4 五元聯系數綜合評價模型

2.4.1五元聯系數法原理

五元聯系數法是在以往集對分析理論的基礎上[1]，將評價等級范圍擴大，通過同、異、反聯系數，將評價對象中的確定與不確定因素相結合，通過聯系數評價事物之間聯系與差異的一種數學運算方法[2,4]。其表達式為[3,5]：

μ=a+bi+cj+dk+el

(1)

式中：μ為五元聯系數；a為事物的同一度；e為事物的對立度；b、c、d為事物的差異度；a、b、c、d、e具有明顯的優序性，且滿足a+b+c+d+e=1和a、b、c、d、e∈[0,1]；i、j、k、l為聯系分量系數，且滿足i、j、k、l∈[-1,1]，根據均分原理，取i為0.5，j為0，k為-0.5，l為1。

2.4.2指標層五元聯系數計算

將河流健康評價指標與河流健康評價的5個等級(Ⅰ～Ⅴ級)構成一個集對分析同異反聯系，并將多個指標系統表示成一個能從總體上衡量河流健康程度的五元聯系數。根據河流健康指標的特性，可分為越大越優型(效益型)和越小越優型(成本型)指標，以相對于Ⅰ級的五元聯系數的計算為例，效益型指標五元聯系數表達式[22-24]為：

(2)

以相對于Ⅰ級的五元聯系數的計算為例，成本型指標五元聯系數表達式[22-24]為：

(3)

式中：μnt為指標層各指標的五元聯系數;n為準則層各要素序號,n取1～5;t為指標層各指標的序號,t取1～7；S1～S5分別為河流健康評價Ⅰ～Ⅴ級評價標準值;xnt為各評價指標的實測值。

2.4.3準則層五元聯系數計算

河流健康評價準則層的五元聯系數計算公式[22-24]為：

μn=rn1+rn2i+rn3j+rn4k+rn5l

(4)

(5)

式中：μn為準則層各要素的五元聯系數；rnm為指標層各指標的聯系系數;m為河流健康評價等級，m取1～5分別對應Ⅰ～Ⅴ等級；Pm為準則層各要素包含的指標個數;Wnt為指標層各指標的權重。

2.4.4目標層五元聯系數計算

河流健康評價目標層的五元聯系數計算公式[22-24]為:

μ=r1+r2i+r3j+r4k+r5l

(6)

(7)

式中：Wn為準則層各要素的權重；rm為河流健康評價Ⅰ～Ⅴ級準則層各要素的聯系系數。

同理可以計算出各指標相對于其他幾級標準的聯系數，根據聯系數的大小可判別河流健康所屬等級。

3 遼河保護區沈陽段河流健康評價結果

3.1 指標層的五元聯系數及評價結果

根據式(2)、式(3)可得到遼河保護區沈陽段河流健康評價指標層與Ⅰ級的五元聯系數表達式，結果如表4所示。

表4 與Ⅰ級的五元聯系數表達式

由此可計算得到指標層各指標與Ⅰ～Ⅴ級的五元聯系數，結果如圖2所示。由圖2可知，根據最大聯系數原理，各指標健康狀況差異較大，其中個別指標處于不健康和病態。如化學需氧量(C22)、總磷濃度(C25)處于不健康，總氮濃度(C24)、水資源開發利用率(C52)處于病態。這說明自遼河護區劃定以來，雖然采取了一系列治理措施并取得一定成效，但仍存在化學需氧量與總磷、總氮濃度過高，水資源開發利用過度等問題，仍需加強治理與保護。

圖2 遼河保護區沈陽段指標層與5個等級的五元聯系數Fig.2 FECN of index layer and 5 grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

3.2 準則層的五元聯系數及評價結果

由指標層五元聯系數計算結果，結合權重可得準則層各要素與Ⅰ級的五元聯系數表達式，結果如表4所示。由此可計算得到遼河保護區沈陽段準則層各要素與5個等級的五元聯系數，結果如圖3所示。由圖3可知，根據最大聯系數原理，自然形態狀況(B1)最大聯系數為0.932 9，評價等級為中等；水質狀況(B2)最大聯系數為0.550 4，評價等級為不健康，這與王樹才[25]采用模糊綜合評價法的評價結果一致；底質狀況(B3)最大聯系數為0.920 9，評價等級為優秀；水生生物及生態環境狀況(B4)最大聯系數為0.781 3，評價等級為良好；社會服務狀況(B5)最大聯系數為0.478 3，評價等級為中等。可見，遼河保護區沈陽段水質狀況較差，在治理過程中應重點關注。

圖3 遼河保護區沈陽段準則層與5個等級的五元聯系數Fig.3 FECN of criterion layer and five grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

根據本研究對遼河保護區沈陽段河流健康評價結果，對比基于灰色關聯法對遼河保護區水生態健康評價的結果[8]發現，由于本研究評價的河段處于遼河保護區的中段，水質狀況評價結果為不健康，劣于遼河保護區全河段評價結果(中等)；而水生生物及生態環境狀況評價等級為良好，優于遼河保護區全河段評價結果(中等)。

3.3 目標層的五元聯系數及評價結果

遼河保護區沈陽段目標層與5個等級的五元聯系數如圖4所示。由圖4可知，根據最大聯系數原理，遼河保護區沈陽段河流健康評價五元聯系數為0.576 8，評價等級為中等。可見，遼河保護區沈陽段河流健康狀態不太理想，其原因可能與該區段農業生產活動和畜禽養殖有關，并且該區段水資源開發利用強度較高，使得水資源處于嚴重透支狀態。

圖4 遼河流域沈陽段目標層與5個等級的五元聯系數Fig.4 FECN of target layer and five grades in Shenyang Section of Liaohe Conservation Area

3.4 評價結果分析

評價結果表明，遼河保護區沈陽段河流自然形態狀況評價結果為中等，其中河岸穩定性(C11)、河床穩定性(C12)、水系連通性(C13)處于中等，河道彎曲程度(C14)處于良好，可見該區段河流自然形態狀況欠佳，這可能與目前遼河保護區沈陽段部分河段河岸植被稀少，岸坡被侵蝕及人類活動造成的河流生態環境惡化等相關。因此在后續治理中，應提高當地群眾的生態環境保護意識，增加河兩岸植被面積，增強河床及邊坡的穩定性，防止河床受到沖刷。

遼河保護區沈陽段2018年水質狀況評價結果為不健康，其中溶解氧濃度達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅰ類水質標準，評價結果為優秀，但化學需氧量、氨氮濃度、總磷濃度分別處于良好、不健康、不健康，總氮濃度處于病態。與曹小磊等[26]提出的遼河沈陽段2007—2010年水質為Ⅴ類相比較發現，雖然自遼河保護區劃定以來，遼河水質健康狀況得到明顯改善，但遼河保護區沈陽段水質狀況仍較差。這是因為研究區為沈陽市農業生產區，區域內農業種植范圍廣，施用的氮肥較多，且化肥的利用率不高，通過地表徑流和農田排水導致河流水體氮濃度增加；同時由于河流沿岸畜禽養殖量很大，大量污染物未經處理直接排入河流；加之農村生活污水未處理直排入河，影響河流水質[27]。可見，遼河保護區在后續治理中，應加強對農業、畜禽養殖污染的治理，科學施用農藥化肥，增加有機肥施用量，提高肥料利用率，同時在雨季應加強對面源污染的控制和治理。

遼河保護區沈陽段2018年底質狀況評價結果為優秀，其中Cd潛在生態風險評價結果為良好，其他6種重金屬均為優秀，與2014年He等[27]測定的遼河沈陽段河流底泥中重金屬結果相比，2018年該河段底質中重金屬污染狀況明顯好轉。可見，自遼河保護區劃定以來，通過實施一系列治理與修復措施，遼河保護區沈陽段底質中重金屬的污染狀況得到明顯改善。

遼河保護區沈陽段水生生物及生態環境狀況評價結果為良好，其中底棲生物完整性指數評價結果為優秀，魚類多樣性指數為中等，著生藻類多樣性指數、流域植被覆蓋率均處于良好，可見遼河保護區沈陽段水生生物及生境狀況不容樂觀，這可能是受到該河段水質狀況的影響[28-31]。

遼河保護區沈陽段社會服務狀況評價結果為中等，其中親水景觀舒適度評價結果為中等，萬元GDP用水量、防洪標準均處于良好，水資源開發利用率評價結果為病態。可見，遼河保護區沈陽段社會服務狀況不是很好，尤其是水資源開發利用率遠超過生態警戒線，這與多年來對遼河流域水資源的過度開發及無節制的引水，使河流水資源處于嚴重透支狀態，在一定程度上降低了水資源的再生性[32]有關。

4 結論

(1)運用五元聯系數對遼河保護區沈陽段河流健康狀況進行評價，結果表明，遼河保護區沈陽段河流健康狀況評價結果為中等，其中自然形態狀況評價結果為中等，水質狀況為不健康，底質狀況為優秀，水生生物及生態環境狀況為良好，社會服務狀況為中等。五元聯系數法可避免單因素分析的弊端，突出最差指標對河流健康狀況的影響程度，較客觀、全面地對河流健康狀況進行評價。

(2)遼河保護區沈陽段底質重金屬污染狀況較輕，但水質狀況不理想，影響該河段河流健康的主要因素為人類不合理的生產活動。應提高化肥利用率，強化水資源管理，嚴格控制污水隨意排放，提高環保與節水意識。